JP7277179B2 - ウルトラファインバブル生成装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明に適用可能なウルトラファインバブル生成装置(UFB生成装置)の一例を示す図である。本実施形態のUFB生成装置1は、前処理ユニット100、溶解ユニット200、T-UFB生成ユニット300、後処理ユニット400、及び回収ユニット500を含む。前処理ユニット100に供給された水道水などの液体Wは、上記の順番で各ユニット固有の処理が施され、T-UFB含有液として回収ユニット500で回収される。以下、各ユニットの機能及び構成について説明する。詳細は後述するが、本明細書では急激な発熱に伴う膜沸騰を利用して生成したUFBをT-UFB(Thermal-Ultra Fine Bubble)と称す。
ここで、T-UFB含有液を生成するために使用可能な液体Wについて説明する。本実施形態で使用可能な液体Wとしては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水、生理活性水、磁気活性水、化粧水、水道水、海水、川水、上下水、湖水、地下水、雨水などが挙げられる。また、これらの液体等を含む混合液体も使用可能である。また、水と水溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。水と混合して使用される水溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、n-プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、n-ブチルアルコール、sec-ブチルアルコール、tert-ブチルアルコールなどの炭素数1乃至4のアルキルアルコール類。N-メチル-2-ピロリドン、2-ピロリドン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、N,N-ジメチルホルムアミド、N,N-ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、1,2-プロピレングリコール、1,3-プロピレングリコール。1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,2-ヘキサンジオール、1,6-ヘキサンジオール。3-メチル-1,5-ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル。ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、1,2,6-ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの水溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または2種以上を併用してもよい。
次に、以上説明したT-UFB生成方法の特徴と効果を、従来のUFB生成方法と比較して説明する。例えばベンチュリー方式に代表される従来の気泡生成装置においては、流路の一部に減圧ノズルのようなメカ的な減圧構造を設け、この減圧構造を通過するように所定の圧力で液体を流すことにより、減圧構造の下流の領域に様々なサイズの気泡を生成している。
一般に、ウルトラファインバブル含有液は、内包される気体の種類によって用途が区別される。なお、液体にPPM~BPM程度の量を液体中に溶解できる気体であれば、いずれの気体においてもUFB化させることが可能である。1例としては、下記のような用途に応用する事ができる。
・浄水器に対し、T-UFB生成ユニットを配することにより、浄水効果やPH調製液の精製効果を高めることが期待できる。また、炭酸水サーバなどにT-UFB生成ユニットを配することもできる。
近年、衣類に付着した汚れなどを除去するための洗浄水として、UFB含有液が注目されている。上記実施形態で説明したT-UFB生成ユニットを洗濯機に配し、従来よりも純度が高く浸透性に優れたUFB含有液を洗濯層に供給することにより、更に洗浄力を向上させることが期待できる。
・化粧品などにT-UFB含有液を含有させることで、皮下細胞への浸透を促進するとともに防腐剤や界面活性剤などの皮膚に悪影響を与える添加剤を大幅に低下させることができる。その結果、より安心で、且つ、機能性のある化粧品を提供する事ができる。
これまで説明したように、発熱素子10を駆動して液体に膜沸騰を生じさせることによってUFBを生成することが可能である。図6(a)および(b)で説明したように、発生した膜沸騰泡13が消泡する際に非常に大きな衝撃が発熱素子10に加わる。また、その衝撃と共に膜沸騰泡13が消泡する際の発熱素子温度等にも起因して、発熱素子10および発熱素子10の周辺部が徐々に破壊され、発熱素子10が断線する。
発熱素子1011: E1=i1×i1×rh1×t1 (式1)
発熱素子1018: E2=i8×i8×rh8×t1 (式2)
発熱素子1061: E3=i61×i61×rh61×t1 (式3)
発熱素子1064: E4=i64×i64×rh64×t1 (式4)
図14は、共通配線領域における配線抵抗ロス差を低減する例を説明する図である。図14(a)は、素子基板12の一部の要素領域を抽出した平面レイアウトの一例を示す図であり、図12(b)の構成に対応している。図14(a)に示す構成では、各個別配線領域1241b~1244b上に、発熱素子に流れる電流を制御するためのスイッチ(SW)1401~1404が配されている。この構成において、電極パッド1201-1202間には、常時、発熱素子の電源電圧(24V)が印加され続けているが、SWがオフ(L)の時は発熱素子に電流が流れない構成となっている。図14(b)は、発熱素子を駆動するSW1401~1404のロジック信号の波形を示す図である。各SW1401~1404にロジック信号Hを印加することで、SWがオンになり、対応する発熱素子に電極パッド1201-1202を通じて電源電圧による電流が流れ、発熱素子上に膜沸騰が発生する。
図15は、本実施形態を説明する図である。図14に示す構成では、SWを素子基板12に配する形態を説明したが、本実施形態では、SWを素子基板12の外部に設けることで、素子基板12のコストを低減する形態である。例えば、複数の発熱素子および1組の電極パッドを含む要素領域を複数のグループ(ブロック)に分けて、駆動するブロックをSWによって切り替えることができる。実施形態1では、複数の発熱素子を並列的に接続する共通配線領域1231、1232が素子基板12に備えられている形態を説明した。本実施形態は、各発熱素子10には、独立した個別配線1511、1512が接続される形態である。
rliA1<rliA2<rliA3<rliA4
rliB1<rliB2<rliB3<rliB4
rliA1+rliC1+rliB1+rliD1=rliA2+rliC2+rliB2+rliD2=rliA3+rliC3+rliB3+rliD3=rliA4+rliC4+rliB4+rliD4
本実施形態は、実施形態1と同様に、各発熱素子に並列的に接続する共通配線を設ける構成である。実施形態1では、寄生配線抵抗の影響を押さえるため、SWによる時分割制御によって、エネルギバラツキを抑制する形態を説明した。本実施形態では、エネルギバラツキを抑制するように、電源電圧、発熱素子抵抗、および配線抵抗を調整する形態を説明する。
図17は発熱素子の長寿命化を図る、各種の変形例を説明する図である。図16では、共通配線部分の抵抗を抑えることで、全体のロスを抑えることができ、その結果、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。さらに発熱素子を高密度に配置するためには、発熱素子に個別に接続する配線領域を極力小さくすることが有効である。
図17(d)および(e)は、別の変形例を説明する図である。図17(a)~(c)では、発熱素子10が形成されている基板の同一面に電極パッド1201、1202が形成されている形態を説明した。前述したように、発熱素子10が形成されている面には、UFBを生成するために液体が接している領域(液室)がある。液室は、壁と蓋で覆われている。一方、電極パッド1201、1202は、液室外に配置される。このように、発熱素子10と電極パッド1201、1202とを電気的に分離する場合、配線の引き回しが長くなる。図17(d)および(e)では、発熱素子と同一面に電極パッド1201、1202を設けず、素子基板の別の面までスルーホールを貫通させ、素子基板の裏面に電極パッドと配線層を設ける形態を示す。図17(e)は、図17(d)で示すXVIIe断面の図である。
実施形態2では、共通配線を用いず、それぞれが独立した個別配線を用いる形態を説明した。本実施形態は、実施形態2のように個別配線を用いる形態であるが、個別配線に複数の発熱素子10が接続される形態を説明する。
実施形態1では、発熱素子に接続する個別配線にSWを設け、時分割で駆動制御することで、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。ここで、高密度化のために共通配線領域をシュリンクさせると、SWを用いて時分割で駆動制御した場合であっても、各発熱素子への投入エネルギのバラツキが発生し得る。実施形態1で説明したように、電極パッド1201、1202から遠い位置の発熱素子と近い位置の発熱素子とでは、共通配線領域の配線抵抗が異なるからである。
これまでの実施形態では、素子基板12に搭載される発熱素子10は、半導体のフォトリソグラフィの工程で製造されるものであり、同一形状で同一抵抗であることを前提に説明をした。そして、例えば実施形態1の図12(b)で説明した構成では、発熱素子1061に対して発熱素子1064に流れる電流が減少することから、発熱素子に投入されるエネルギにバラツキが生じることを説明した。本実施形態では、発熱素子10の形状を、発熱素子を配置する位置関係に応じて異ならせる形態を説明する。
本実施形態は、発熱素子の抵抗値を監視し、監視している発熱素子の抵抗値に応じて発熱素子の電源電圧または印可パルス幅を調整する形態を説明する。
図21(d)は、変形例を示す図である。図21(a)の構成では、時分割制御を行い、各分割タイミングにおいて1つの発熱素子を駆動する形態を示した。図21(d)は、時分割制御を行う際に、各分割タイミングにおいて複数の発熱素子を駆動する例である。図21(d)に示すように、同時に駆動する発熱素子の数を同じにして、電圧またはパルス幅の調整を時分割制御してもよい。
これまでの実施形態では、SWを用いて同時に駆動させる複数の発熱素子の数を、各SWに対応するブロックにおいて同じ数とした形態を説明した。本実施形態は、SWを用いて同時に駆動させる発熱素子の数を、ブロックに応じて異ならせる形態を説明する。
これまでの実施形態では、電極パッドから接続される複数の発熱素子は、電気的に並列接続される形態を説明した。本実施形態では、電極パッドから接続される複数の発熱素子を、同一配線上において電気的に直列接続する形態を説明する。
図22(d)は、変形例を示す図である。図22(d)では、発熱素子を直接接続する場合において、発熱素子の抵抗パターンの幅を抵抗パターンの長さよりも長くする例である。直列接続を行なうと発熱素子を駆動するための電源電圧が直列分高くなる。発熱素子の駆動電源として高電圧を望まない場合、図22(d)のように構成することで、発熱素子面積を維持しつつ、発熱素子の電源電圧が高くならないように構成できる。このように、幅が広い発熱素子を複数直列接続する形態を採用してもよい。
これまでの実施形態では、レイアウトを調整したり、駆動するタイミングなどを調整したりすることで、各発熱素子に投入されるエネルギのバラツキを抑制する形態を説明した。本実施形態では、発熱素子の両端または片側端の電圧を一定に保つ機構を備える形態を説明する。
上記の実施形態においては、一定の温度かつ一定の環境気圧の条件でUFBを生成するものとして説明した。つまり、温度や環境気圧の違いは考慮していない。UFB生成装置は、発熱素子を駆動することでUFBを生成することから、UFB生成装置1の(特に、発熱素子を備えたUFB生成部の)温度が変化する。膜沸騰は、大気圧で約300℃にて発生することから、UFB生成部の温度に応じて印加するエネルギを増減させてもよく、これにより、安定したUFBの生成を行うことができる。
10 発熱素子
11 UFB(ウルトラファインバブル)
12 素子基板
13 膜沸騰泡
300 T-UFB生成ユニット
Claims (25)
- ウルトラファインバブル生成装置であって、
液体が収容される液室と、
前記液室に収容されている液体に膜沸騰を生じさせることにより、直径が1.0μm未満のウルトラファインバブルを生成する発熱素子を複数備えた発熱部を含む素子基板と、
前記生成されたウルトラファインバブルを含有する液体を回収する回収ユニットと、
を有し、
前記素子基板は、前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の1倍以上であり、かつ前記第一の値の1.3倍以下となるように構成されていることを特徴とするウルトラファインバブル生成装置。 - 前記発熱部は、電極パッドからのエネルギが投入される発熱素子の集合体を含むことを特徴とする請求項1に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において少なくとも二以上の前記発熱素子が同一の共通配線を介して前記電極パッドに接続されており、前記複数の発熱素子は、時分割でそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項2に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記素子基板は、前記発熱部を複数備え、複数の発熱部のそれぞれにおいて、前記複数の発熱素子が時分割でそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項3に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において前記発熱素子の形状が、前記共通配線を介して接続される位置関係に応じて異なることを特徴とする請求項3に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記共通配線の抵抗の差に応じて、時分割で前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子の駆動する時間長が変わることを特徴とする請求項3から5のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において、前記発熱素子はそれぞれ、個別の配線に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記個別の配線は、前記個別の配線の抵抗値が所定の範囲内となるようにレイアウトされていることを特徴とする請求項7に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記共通配線の抵抗の値が、前記発熱素子の抵抗と前記発熱素子に個別に接続される配線の抵抗との合計の値の所定の割合以下となるように、前記共通配線の幅または膜厚が構成されていることを特徴とする請求項3に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記共通配線の幅または膜厚は、
前記発熱素子によって前記膜沸騰が生じるエネルギを第一の値とした場合、前記発熱部において同時に駆動される複数の発熱素子のそれぞれに投入されるエネルギが、前記第一の値の1倍以上かつ1.3倍以下となるように構成されていることを特徴とする請求項9に記載のウルトラファインバブル生成装置。 - 前記共通配線は、前記素子基板において前記発熱素子が形成されている層とは別の層に形成されることを特徴とする請求項9または10に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記共通配線は、前記素子基板において前記発熱素子が形成されている面の裏面に形成されることを特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記電極パッドは、前記裏面に形成されていることを特徴とする請求項12に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- ウェハ上に前記素子基板が複数備えられた生成部をさらに有することを特徴とする請求項9から13のいずれか一項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- それぞれの個別の配線に接続され、かつ同時に駆動される少なくとも二以上の発熱素子のグループを含む複数のグループが、異なる時分割のタイミングでそれぞれ駆動されることを特徴とする請求項7に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において、同時に駆動する発熱素子の数は、各グループにおいて同じであることを特徴とする請求項15に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において同時に駆動する少なくとも二以上の発熱素子のグループが、異なる時分割のタイミングでそれぞれ駆動され、各タイミングにおいて同時に駆動する発熱素子の数に応じて各タイミングで前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子の駆動する時間長が変わることを特徴とする請求項15に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部における前記発熱素子の抵抗を監視する監視手段をさらに有し、
時分割で前記発熱素子に印加される電圧または前記発熱素子を駆動する時間長が、前記監視手段による監視の結果に応じて変わることを特徴とする請求項6または17に記載のウルトラファインバブル生成装置。 - 前記発熱部において、同一配線上で同時に駆動される複数の発熱素子が直列に接続されていることを特徴とする請求項15に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記直列に接続されている発熱素子のそれぞれは、電流が流れる方向の抵抗パターンの長さが、前記抵抗パターンの幅よりも小さいことを特徴とする請求項19に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記発熱部において、前記複数の発熱素子のそれぞれ、または、所定の数の発熱素子に印加されるエネルギを一定化する一定化手段をさらに有することを特徴とする請求項1に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 前記一定化手段は、前記発熱素子の両端もしくは片側の電圧または電流を一定に保つことを特徴とする請求項21に記載のウルトラファインバブル生成装置。
- 所望の気体を液体に溶解する溶解ユニットをさらに有し、
前記素子基板は、前記溶解ユニットにおいて所望の気体が溶解された液体に前記膜沸騰を生じさせる、請求項1から22のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル生成装置。 - 前記生成されたウルトラファインバブルを含有する液体から不純物を除去する後処理ユニットをさらに有し、
前記回収ユニットは、前記後処理ユニットから送液された液体を回収する、請求項1から23のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル生成装置。 - 前記回収ユニットは、液体を冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする請求項1から24のいずれか1項に記載のウルトラファインバブル生成装置。
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